DC 브러시 모터에 이상적인 PWM 주파수가 있습니까?

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모터 제어를위한 PWM 신호를 생성하기 위해 마이크로 컨트롤러를 사용할 것입니다. PWM 및 듀티 사이클의 작동 방식을 이해하지만 이상적인 주파수에 대해 확신이 없습니다. 아직 모터가 없으므로 테스트하고 알아볼 수 없습니다.

나는 전압을 변화시키지 않을 것이며 주어진 전압을받는 시간입니다. 선형 반응을 가정 할 수 있습니까? 10 % 듀티 및 24V 공급시 15RPM의 속도로 작동합니까?

차이가 있다면 설정을 포함하겠습니다. 모터를 제어하는 H- 브리지에 24V를 직접 실행하고 있습니다. 분명히 MCU에서 2 개의 활성화 MOSFET의 게이트로가는 2 개의 PWM 핀이 있습니다.

편집 : 죄송합니다, 링크가 작동하지 않는 것 같습니다. 직장의 방화벽은 이미지를 좋아하지 않는 것 같습니다. 그림은 RPM 대 전압의 그래프를 보여줍니다. 8V에서 50RPM에서 24V에서 150RPM까지 선형입니다.

— 네이트 산
소스

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한마디로 :

pwm 신호를 적용 하여 '속도' 를 선형 적으로 제어 할 수 있습니다 . 이제 해당 신호의 주파수가 충분히 높아야 DC 모터가 PWM 신호의 DC 성분 만 통과 할 수 있습니다. 모터를 저역 통과 필터로 생각하십시오. 전달 함수 또는 각속도와 전압의 관계를 살펴보면 다음과 같습니다.

DC 모터의 1 차 모델이거나 차단 주파수저역 통과 필터입니다.

\frac{ω (에스)}{V (에스)} = \frac{케이}{τ 에스 + 1}

$\frac{\omega(s)}{V(s)}=\frac{K}{\tau s+1}$

{에프}_{기음} = \frac{1}{2 π τ}

$f_c=\frac{1}{2\pi\tau}$

여기서 는 모터의 시간 상수입니다. 주파수가 컷오프를 초과하지 않는 한, 모터는 DC 부분 또는 PWM 신호의 평균 만 볼 수 있으며 PWM 듀티 사이클과 일치하는 속도를 갖게됩니다. 물론 고주파로 갈 경우 고려해야 할 몇 가지 상충 관계가 있습니다 ... $\tau$

긴 이야기:

이론적으로 '올바른'PWM 주파수를 선택하려면 모터의 시간 상수를 알아야합니다. 아시다시피 모터가 거의 100 %에 도달하는 데 걸리는 시간은 최종 값입니다.

티_{에프 나는 엔 에이 엘} \approx 5 τ

$t_{final}\approx 5\tau$

PWM 주파수는 모터 (실제로 저역 통과 필터)가 입력 전압, 즉 구형파를 평균화 할 수있을 정도로 충분히 높아야합니다. 예를 들어 시간 상수가 모터가 있다고 가정 해 봅시다 . 몇 가지 PWM주기에 대한 반응을 시뮬레이션하기 위해 1 차 모델을 사용할 것입니다. 이것은 DC 모터 모델입니다 : $\tau=10ms$

\frac{ω (에스)}{V (에스)} = \frac{케이}{10^{- 삼} 에스 + 1}

$\frac{\omega(s)}{V(s)}=\frac{K}{10^{-3} s+1}$

간단히하기 위해 로 하자 . $k=1$

그러나 더 중요한 것은 여기에 우리가보고있는 반응이 있습니다. 첫 번째 예를 들면, PWM주기는 상기 듀티 사이클은 50 %이다. 모터의 응답은 다음과 같습니다. $3\tau$

황색 그래프는 PWM 신호 (50 % 듀티 사이클 및 기간 ) 및 퍼플 하나는 모터의 속도이다. 보다시피, PWM의 주파수가 충분히 높지 않기 때문에 모터 속도가 크게 흔들립니다. $3\tau=30ms$

$0.1\tau=1ms$

보다시피, pwm 신호의 고주파 성분이 필터링되고 있기 때문에 속도는 거의 일정합니다. 결론적으로, 나는 적어도 주파수를 선택할 것입니다 $f_s\geq \frac{5}{2\pi\tau}$

이것은 PWM 주파수를 선택하는 방법에 대한 매우 이론적 인 설명입니다. 그것이 도움이되기를 바랍니다!

— Big6
소스

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좋은 대답입니다. " 모터가 최종 값의 거의 100 %에 도달하는 데 걸리는 시간 "이라고 말하면 최종 또는 전체 전류 값 을 의미 할 수 있습니다 . 독자들은 그것을 100 % 속도와 혼동 할 수 있습니다.

— 트랜지스터

이것은 매우 유익했습니다! 나는 EE가 아니기 때문에 이에 대해 교육을 많이받지 않았다. 작동해야하는 스펙트럼에서 원하는 응답을 얻을 때까지 다른 주파수를 시도 할 것입니다. 그러나 해당 설정을 수행 할 때이 점을 명심해야합니다! . 그래도 질문이 하나 있습니다. 당신은이 숫자들이 모두 매우 이론적이라고 말했지만 예상되는 시간 상수의 구장을 줄 수 있습니까? 최대 300mA를 소비하는 24V dc 모터입니다.

— 네이트 산

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@NateSan 감사합니다! 정답 중 하나 인 2KHz와 같은 KHz 범위의 주파수로 시작하는 것이 가장 좋습니다. 주어진 정보에 기초하여 시간 상수를 추정 할 수있는 방법이 없거나 적어도 모르겠습니다. 실험적으로 찾을 수 있지만 원하는 것에 가까워 질 때까지 다른 주파수를 시도하는 것이 좋습니다.

— Big6

제시된 사실은 결론을 뒷받침하지 않습니다. 두 그래프 모두 평균 0.5입니다. 나는 이것이 현실을 반영한다고 생각하고 선형성은 PWM 주파수에 의존하지 않습니다. 유일한 타협점은 아래쪽의 전류 / 토크 리플 및 잡음과 위쪽의 와전류 및 스위칭 손실입니다.

— alain

1

@PageDavid이 작업을 수행 한 지 얼마되지 않았지만 입력 전압을 모터에 적용하여 실험적으로 측정 할 수 있으며 각 속도가 최종 값의 63.2 %에 도달하는 데 걸리는 시간을 확인할 수 있습니다. 이 작업을 몇 번 반복하고 평균을 찾아야 할 수도 있습니다 (측정에서 측정에 상당히 근접해야 함). 이를 위해 타코미터 / 기타 도구와 같은 올바른 장비가 필요합니다. 아마도이 링크가 도움이 될 것입니다 : mech.utah.edu/~me3200/labs/motors.pdf 또는 google“find dc motor time constant” —intro controls course에서 가장 일반적인 실험 중 하나입니다.

— Big6

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150rpm은 초당 2.5 회전이므로 모터가 감속되었을 가능성이 있습니다. 50rpm에서 1 회전을하려면 모터에 1 초 이상이 소요됩니다.

이미 언급했듯이 h- 브리지의 스위치는 전원이 켜져 있거나 (기본적으로 0V) 꺼져있을 때 (제로 전류) 많은 전력을 소비하지 않습니다. 스위칭시 전압과 전류 만 존재하므로 스위칭 주파수가 높을수록 FET에서 더 많은 열이 발생합니다.

5-20 KHz 범위를 유지하면 아마 안전 할 것입니다. 너무 낮아지면 모터 전류 리플 (및 토크 리플)이 눈에 띄게 나타날 수 있지만 실험 해 볼 수 있습니다. 너무 높으면 스위치가 가열됩니다. 가청 범위를 벗어나기 위해 더 높은 쪽을 향할 수도 있습니다.

— 존 버크 헤드
소스

연동 펌프의 모터입니다. 기어링에 대해 잘 모르겠습니다. 따라서 20KHz에서 PWM을 실행하면 0에서 100 사이의 듀티 사이클을 변경하여 RPM에서 거의 선형 변경을 얻을 수 있습니다 (펌프 유량으로 변환 됨).

— 네이트 산

스위치가 가열되면 작동 주파수 때문이 아닙니다 (1MHz 미만이 아님). 언급했듯이 대부분의 스위칭 손실은 FET가 완전히 ON 또는 OFF가 아닐 때 발생합니다. 그것들을 시원하게 유지하는 비결은 Ton과 Toff를 최소화하기 위해 게이트를 세게 움직입니다. 낮은 게이트 전하와 낮은 톤 토프 및 낮은 RDSon을 가진 FET를 선택하십시오.

— Drunken Code Monkey

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실제 모터는 실제 모터와 직렬로 연결된 저항 및 인덕터와 거의 비슷하게 작동합니다. 효율적인 작동을 위해서는 모터를 전원에 연결하는 것과 단락하는 것 사이를 전환해야합니다. 모터가 전원에 연결되어있는 동안 전류는보다 양의 값이됩니다. 단락되면 더 부정적입니다. 모터가 각 사이클의 일부를 다른 부품에서 수행하는 것과 기계적으로 싸우려고 노력하기 때문에 전류가 극성을 전환하면 효율이 현저하게 저하됩니다.

모터 자체의 관점에서 PWM 속도가 최대한 높으면 효율이 최상이됩니다. 그러나 두 가지 요소가 최적 PWM 속도를 제한합니다.

많은 모터는 전자기 간섭을 최소화하기 위해 커패시터와 병렬로 연결되어 있습니다. 모든 PWM 사이클은 해당 캡을 충전 및 방전하여 전체 에너지를 낭비해야합니다. 여기서 손실은 주파수에 비례합니다.
많은 H- 브릿지 스위치는 전환하는 데 일정 시간이 걸립니다. 그들이 전환하는 동안, 그들에게 들어가는 많은 전력이 낭비 될 것입니다. 브리지가 대부분의 활성 또는 비활성 시간 스위칭을 소비하는 지점으로 PWM 켜짐 및 꺼짐 지속 시간이 줄어들면 스위칭 손실이 증가합니다.

가장 중요한 것은 PWM 속도가 모터 자체와 싸울 수 없을 정도로 빠르다는 것입니다. 그 이상으로 더 빨리 가면 모터 효율이 다소 향상되지만 앞서 언급 한 다른 손실은 증가합니다. 병렬 커패시턴스가 너무 많지 않으면 일반적으로 PWM 손실이 최소화되고 모터 전류 극성이 계속 유지되는 경우 상당히 넓은 범위의 주파수가 존재합니다. 해당 범위의 중간 근처에있는 주파수가 가장 좋을 수 있지만 해당 범위 내의 모든 것이 적합해야합니다.

— 슈퍼 캣
소스

나는 실제로 오프 기간 동안 그것을 접지하지 않을 것이고, 마찰은 모터를 매우 빨리 멈출 것이다. 그래서 나는 의무 기간 사이에 떠 다니지 않는 이유를 보지 못했습니다.

— 네이트 산

@NateSan : 모터에 인덕턴스가 있으므로 전원을 끄려고 해도 전류 가 계속 흐릅니다. 모터를 단락하면 에너지가 오프 기간 동안 유용한 일을 계속 할 수 있도록, 당신은 모터 외부에 발산 필요한 에너지의 양을 줄일 수

— supercat

또는 플라이 백 다이오드를 사용하십시오. 유도 성 부하 (예 : 모터)의 경우 스위칭 트랜지스터를 죽일 수있는 전압 스파이크를 피하기 위해 전원이 꺼 졌을 때 전류 경로가 있어야합니다.

— Craig McQueen

@CraigMcQueen : 순방향 전류가 계속되는 동안 플라이 백 다이오드가 모터를 효과적으로 단락시켜 0.7V 강하를 줄입니다. 24VDC에서 0.7V 드롭은 문제가되지 않지만 성능이 떨어지면 성능이 향상됩니다.

— supercat

@supercat : "off"상태에서 모터를 단락시키는 권장되는 대안은 무엇입니까? 두 번째 FET? 회로도 예를 보여 주거나 참조 할 수 있습니까?

— Craig McQueen

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몇 년 전 16 브러시 DC 모터를 구동하는 PWM 속도 / 위치 제어 시스템을 설계하고 작업했습니다. 우리는 1 년에 350M 대의 모터를 판매 한 Mabuchi에서 구입했습니다. 그들은 당시 R / C 비행기를 포함한 다른 소스의 권장 사항에 따라 2kHz PWM 주파수를 권장했습니다. 우리는 좋은 결과를 얻었고 그 이후로 사용해 왔습니다.

20kHz 이상의 주파수는 휘파람 / 잡음을 의미하지 않는다는 이론이 있지만 사실은 아닙니다. 나는 그것의 진정한 물리학을 모른다. 그러나 당신이들을 수있는 기계적인 움직임이있다. 코일 또는 구성 요소가 고주파수에서 약간 움직일 수는 있지만 유지할 수는 없으므로 나는 옳고 그름으로 주파수의 하위 고조파 (오른쪽 문구?)로 생각했습니다. 나는 집에서 휴대 전화 충전기를 사용하여 휘파람 소리를 명확하게들을 수 있으며 PWM 발진기가 100kHz 이상으로 잘 작동하고 있음을 알고 있습니다. (실제로 전화를 연결하지 않으면 더 높은 '무부하'호루라기가 들리기 때문에 부엌을 지나갈 때 종종 부엌에서 하나를 끄십시오. 또한 전화를 처음 켤 때 톤이 점점 낮아지는 소리가 들립니다. .)

— TonyM
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모터와 드라이버가 지원하는 경우 가청 주파수 (20KhZ) 이상으로 유지하는 것이 바람직한 경우가 있습니다. 그것이 사람이들을 수 있다면, 일정한 높은 피치 주파수는 성 가실 수 있습니다. 젊은 사람들은 40 세 이후에 그것을들을 수 있습니다.

— 브라이언
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